(57)【要約】  水、廃水、または産業廃棄物などのプロセス流を処理するための電気凝固のための装置。さらに、前記装置を利用して水、廃水、または産業廃棄物などのプロセス流を処理するための方法。プロセス流を処理するように構成された電気凝固装置であって、カソードと、多孔質かつ水透過性であり、鉄を含む圧縮された粉末で作られ、１１〜６２体積％の間の多孔度を有しているアノードと、アノードをまたぐ圧力差が少なくとも６．９ｋＰａ（１ｐｓｉ）になるように、プロセス流をアノードを通って流すように構成された圧力システムとを含む装置。
2019529090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流を処理するように構成された電気凝固装置であって、
カソードと、
鉄を含む圧縮された粉末で構成され、１１〜６２体積％の間の多孔度を有しており、多孔質かつ水透過性である犠牲アノードと、
前記プロセス流を前記アノードを通って流すように構成された圧力システムと
を備えており、
前記アノードは、第１の側と、反対側の第２の側とを有し、前記プロセス流は、前記第１の側から前記アノードを通って前記第２の側へと流れ、
前記第２の側における前記プロセス流の圧力は、圧力差が少なくとも６．９ｋＰａ（１ｐｓｉ）、好ましくは少なくとも１７．９ｋＰａ（２．６ｐｓｉ）であるように、前記第１の側における圧力よりも低い、装置。
【請求項２】
前記圧力システムは、前記プロセス流の少なくとも５０重量％、好ましくは８０重量％、より好ましくは９５重量％、最も好ましくは少なくとも９９．５重量％が前記アノードを通って流れるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の側における前記プロセス流の圧力は、少なくとも１３．８ｋＰａ（２ｐｓｉ）である、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記アノードは、２２〜５１体積％の間、好ましくは３０〜４２体積％の間の多孔度を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記アノードは、圧縮されて焼結させられた粉末で構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記圧縮された粉末は、少なくとも９０重量％の鉄、好ましくは少なくとも９５重量％の鉄、最も好ましくは少なくとも９７重量％の鉄を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記圧縮された粉末は、４５μｍ未満の粒子の量が最大で１０重量％であり、４５〜１５０μｍの間の粒子の量が０〜２０重量％であり、１５０〜２１２μｍの間の粒子の量が１０〜５０重量％であり、２１２〜５００μｍの間の粒子の量が５０〜９０重量％であり、５００μｍを超える粒子の量が０〜３０重量％であるような粒径分布を有する鉄粉を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記鉄粉は、４５μｍ未満の粒子の量が最大で５重量％であり、４５〜１５０μｍの間の粒子の量が０〜２０重量％であり、１５０〜２１２μｍの間の粒子の量が１０〜３０重量％であり、２１２〜５００μｍの間の粒子の量が６０〜９０重量％であり、５００μｍを超える粒子の量が０〜１０重量％であるような粒径分布を有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記圧縮された粉末は、圧縮された鉄粉とアルミニウム粉末との混合物を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
鉄粉とアルミニウム粉末との間の重量比が、５０：５０〜９８：２、好ましくは６０：４０〜９８：２、最も好ましくは７０：３０〜９５：５である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
電気凝固によってプロセス流を処理するためのプロセスであって、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置を用意するステップと、
前記アノードと前記カソードとの間に電位差を供給しつつ、前記アノードを通過する前に前記プロセス流を加圧することによって、前記プロセス流を前記装置に通すステップと
を含む、プロセス。
【請求項１２】
前記アノードおよびカソードは構造において同一であり、
当該プロセスは、
前記アノードの犠牲部分が少なくとも部分的に消費されたときに極性を切り替えるステップ
をさらに含む、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記プロセス流は、前記アノードを通過する前に大気圧よりも上に加圧される、請求項１１または１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記アノードは、０よりも大きく最大で１９ｃｍ／日まで、好ましくは４〜１７．５ｃｍ／日の間、より好ましくは４．３〜１６．４ｃｍ／日の間、最も好ましくは７．６〜１３ｃｍ／日の間の飽和透水係数（Ｋｓａｔ）値を有する、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記プロセス流を前記装置に通すステップの前および／または最中に、ｐＨを形成された水酸化物凝集剤の溶解を妨げる値、好ましくは５〜８の間の値へと調整するステップ
をさらに含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記プロセス流は、クロムまたはヒ素などの重金属を含む、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記プロセス流は、フッ化物を含む、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気凝固のための装置に関する。この装置を、汚染水、廃水、および産業廃棄物などのプロセス流を処理するために使用することができる。さらに、本発明の実施形態は、この装置を使用することによってプロセス流から汚染物質を除去するための電気凝固プロセスに関する。
【０００２】
（概要）
本発明の一態様は、汚染水、廃水、および産業廃棄物などのプロセス流を処理するための電気凝固のための新規な装置である。この装置は、加圧配管システムなどの加圧系に収容された多孔質かつ透過性の犠牲アノードを含む。
【０００３】
アノードは、圧縮された鉄粉を含むことができる。いくつかの実施形態において、アノードは、圧縮されて焼結させられた鉄粉であってよい一方で、他の実施形態において、アノードは、圧縮されているが、焼結させられていない。焼結工程に代え、あるいは焼結工程に加えて、アノードを、潤滑剤を燃やして除去するために、例えば２００〜４００℃の間の温度で熱処理することができる。
【０００４】
本発明の別の態様は、前記装置を利用した電気凝固によって、水、廃水、または産業廃棄物などのプロセス流中の汚染物質を除去するためのプロセスである。典型的な産業廃棄物は、採鉱、織物、金属メッキ、皮なめし、マイクロエレクトロニクス、パルプおよび紙、ならびに蒸留所を含む。プロセス流は、地下水、河川水、産業廃水、都市廃水、および／または地表水などの流体を含有する水であってよく、流体中の塩素含有化合物、硝酸塩、亜硝酸塩、重金属、有毒な無機物質、有毒な有機化合物、微生物、および／またはこれらの組み合わせからなる群から選択される汚染物質の含有量が減らされる。
【０００５】
本発明の特定の態様および実施形態は、複数の汚染物質の低減の促進にとくに適する。対象の汚染物質は、クロム、ヒ素、鉛、フッ化物、セレン、放射性核種、チッ素種、重金属、リン、および有機化合物からなることができるが、これらに限定されない。
【０００６】
本発明の特定の態様および実施形態は、従来からのシステムよりも少ない電力を使用しつつ、少なくとも汚染物質の同じ低減を促進するために適している。とくに、本発明の特定の態様および実施形態は、アノードの高い完全性、したがって取り扱いの容易さの改善をさらに提供する。
【背景技術】
【０００７】
電気凝固は、鉄およびアルミニウムなどの金属の電気酸化によって水／廃水内に金属水酸化物凝固剤を生成する単純かつ効果的な方法である。電気凝固の概略図および基本概念を図１９に示す。電流が系を通過するとき、金属イオンが犠牲アノードから放出される一方で、水酸化物イオンおよび水素ガスがカソードにおいて生成される。金属イオンおよび水酸化物イオンは、容易に結合し、優れた凝固剤である高分子金属水酸化物を形成する。
【０００８】
アノード、カソード、およびバルク液体において生じる反応を、鉄および／またはアルミニウムをアノード材料として下記に示す。
【０００９】
アノードにおいて：
金属の酸化：
Ｆｅ（ｓ）→Ｆｅ２＋＋２ｅ−
Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋＋ｅ−
水の酸化：
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋
【００１０】
カソードにおいて：
水素ガスおよび水酸化物イオンの生成：
２Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋２ＯＨ−
４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２
【００１１】
バルク液体中で：
金属水酸化物の形成：
Ｆｅ２＋＋２ＯＨ−→Ｆｅ（ＯＨ）２
Ｆｅ３＋＋３ＯＨ−→Ｆｅ（ＯＨ）３
【００１２】
アルミニウムアノードの場合、金属の酸化は、
Ａｌ（ｓ）→Ａｌ３＋＋３ｅ−
となり、バルク液体中での金属水酸化物の形成は、
Ａｌ３＋＋３ＯＨ−→Ａｌ（ＯＨ）３
となる。
【００１３】
バルク液体のｐＨに応じて、金属の一価または多価の水酸化物が、
Ｆｅ（ＯＨ）２＋、Ｆｅ（ＯＨ）２＋、Ｆｅ（ＯＨ）２、Ｆｅ（ＯＨ）３、Ｆｅ（ＯＨ）６３−、Ｆｅ（ＯＨ）４−
のように形成され、アノード材料としてアルミニウムが使用される場合、形成される水酸化物の例は、
Ａｌ（ＯＨ）２＋、Ａｌ（ＯＨ）３、Ａｌ（ＯＨ）４−、Ａｌ１３（ＯＨ）３４５＋、Ａｌ１３（ＯＨ）３２７＋
である。
【００１４】
金属水酸化物は、凝集剤を形成し、イオン交換、吸着、中和、およびスイープフロック（ｓｗｅｅｐ−ｆｌｏｃ）作用によって汚染物質を除去する。金属カチオンが、コロイド状の粒子および汚染物質の負の表面電荷を中和する。したがって、粒子が互いに接近し、ファンデルワールス力の影響下で凝集する。さまざまな種類のイオンの他に、有機物質も、電気凝固によって沈殿フロックの形態で効果的に除去することができる。電流密度、ｐＨ、電極の種類、反応時間、などの要因が、金属水酸化物の形成において重要な役割を果たす。一般に、電流密度が高いほど、溶液中により多くの金属イオンが生じる。同様に、金属水酸化物の溶解度は、溶液のｐＨに大きく依存する。水酸化鉄および水酸化アルミニウム凝集剤の形成に関して、最適なｐＨの範囲は５〜８の間である。しかしながら、フロックは、より低いｐＨ値またはより高いｐＨ値において可溶性になる。ｐＨは、金属凝集剤の汚染物質との相互作用にとっても同様に重要である。例えば、水酸化アルミニウムによるフッ化物の除去は、イオン交換プロセスになると考えられる。フッ化物イオンが、以下の反応
Ａｌ（ＯＨ）３＋ｘＦ−→Ａｌ（ＯＨ）（３−ｘ）Ｆｘ（ｓ）＋ＯＨ−
に従って、水酸化アルミニウムから１つの水酸化物イオンを置き換え、錯体を形成する。
【００１５】
以下の式が、本発明のプロセスおよび本発明の装置に適用可能な電気凝固プロセスの基本的な特性の間の理論的関係を示す。
【００１６】
理論上のアノード材料の消費
電気凝固プロセスにおいて、アノードは犠牲電極であり、時間とともに質量が減少する。アノードの質量の減少は、電荷量（電流）および電極の種類の関数である。理論上の質量の減少を、以下の式
Ｍｍ＝ＩＭｗ＊６０／ｚＦ
を使用して計算することができ、ここで、Ｍｍは１分当たりのアノードの質量の減少（ｇ＊ｍｉｎ−１）であり、Ｉは電流（Ａ）であり、Ｍｗは金属の分子量（ｇ＊ｍｏｌ−１）であり、ｚは金属の酸化時に放出される電子の数（Ｆｅにおいては２または３、Ａｌにおいては３）であり、Ｆはファラデー定数（９６，４８６  Ｃ＊ｍｏｌ−１）である。上記の式に基づき、１ファラデーの電荷が回路を通過するたびに、８．９９ｇのアルミニウムおよび１８．６ｇの鉄がアノードから溶液中に溶解する。アノードの質量の減少は、汚染物質の除去に直接的に影響する。
【００１７】
理論上のエネルギー消費量、伝導率、およびファラデー収率
エネルギー消費量は、電極間に印加される電圧差、電流、および反応時間に依存する。一方で、反応時間は、汚染物質の濃度に依存する。汚染物質の除去の質量当たりのエネルギー消費量を、以下の式
Ｅｃ＝ＶＩｔｒ／Ｃｒ
を使用して計算することができる。
ここで、Ｅｃは除去された汚染物質の質量当たりの総エネルギー消費量（ｋＷｈ＊ｇ−１）であり、Ｖはセル電位（Ｖ）であり、Ｉは電流（Ａ）であり、ｔｒは反応時間であり、Ｃｒは反応時間ｔｒにおいて除去された汚染物質の質量である。一定の印加セル電位において、回路を通る電流は、水の伝導率に依存する。地下水および廃水のほとんどは、反応にとって充分な電流を保証するための充分に高い伝導率を有する。しかしながら、場合によっては、水の伝導率を高め、したがって電流を増やすために、二次電解質の添加が有用となり得る。塩化物イオンをもたらす二次電解質が、とくに有用であり、なぜならば、塩化物イオンが、アノード表面を時間とともに覆ういくつかのマスキング剤を除去するうえで役立つからである。このマスキング現象は、システム効率を大幅に低下させる可能性がある。マスキング防止剤としても使用される二次電解質の例は、塩化カリウムまたは塩化ナトリウムである。システム効率を、実際のアノード消費量（Ｍａ）の理論値（Ｍｔ）に対する比として定義され、
ＣＥ（％）＝Ｍａ＊１００／Ｍｔ
に従って計算することができるファラデー収率または電流効率（ＣＥ）を計算することによって、評価することができる。
【００１８】
実際のアノードの減少は、反応の前後の乾燥状態のアノードの重量分析によって定量化することができる。実際には、水中での金属の自然酸化ゆえに、ファラデー収率は１００％を超える可能性がある。
【００１９】
理論上の電気凝固スラッジの生成量
電気凝固プロセスは、フロックを生成し、フロックが最終的に凝集し、スラッジとして反応室の底部に沈降する。Ａｌ（ＯＨ）３などの金属水酸化物は、水に対する化学的および物理的な親和性が高い。結果として、電気凝固スラッジは、良好な沈降性を有するが、含水量も多い。１分当たりに生成されるスラッジの質量（ｇ＊ｍｉｎ−１）を、以下の式
Ｓｍ＝（６０＊ｌ＊（Ｍｗ／ｚ＋１７））／Ｆ
を考慮して計算することができる。
【００２０】
プロセスにおいて生成されたスラッジの量も、プロセスの終わりにおいて重量法によって定量化することができる。
【００２１】
理論上の水素ガスの生成量
カソードにおける水の電気分解が、水素ガスを発生させる。生じる水素ガスの量は、カソードによってもたらされる電子の数に依存する。反応化学量論によれば、１モルの水素ガスを発生させるために２モルの電子が消費される。反応時間ｔｒ（ｓｅｃ）の間にカソードから放出される電子のモル数（Ｍｅ−）を、以下の式
Ｍｅ−＝Ｉ＊ｔｒ／Ｆ
を使用して計算することができる。
【００２２】
以上に基づき、温度Ｔ（Ｋ）および圧力Ｐ（ａｔｍ）において反応時間ｔｒ（ｓｅｃ）の間に生成される水素ガスの体積（ＶＨ２）（単位は、ｍｌ）を、以下の式
ＶＨ２＝（１１，２０７＊Ｉ＊ｔｒ／２７３．１５）／（Ｆ＊Ｐ）
を使用して計算することができる。
【００２３】
この式は、カソードに電子と競合するイオンが存在しない場合にプロセスから発生する水素ガスの体積を計算する。六価クロムイオンなどの競合するイオンが存在する場合、水素ガスの発生は、理論値よりも少なくなると考えられる。水素ガスは、電気凝固プロセスの有用な副生成物である。
【００２４】
特許文献において、水または廃水の改質に関し、電気凝固に関連する多数のプロセスおよび材料が開示されている。公開済みの文献の以下の例を、本発明の実施形態に対する関連技術と見なすことができる。
【００２５】
米国特許出願公開第２０１２／００５５８７１号明細書が、鉄粒子と次亜塩素酸ナトリウムを含有する水溶液とを使用する電気分解方法に関する。この方法は、直流およびアノードからの鉄粒子を使用すること、ならびに水溶液の次亜塩素酸ナトリウム濃度が少なくとも１ｇ／Ｌであることを特徴とする。さらに、この文書は、飲用水またはいわゆる技術用水（ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｗａｔｅｒ）を製造するために容易に処理することができる水を生成するための原水の前処理のための方法およびプラントに関する。
【００２６】
米国特許出願公開第２００５／０１６７２８５号明細書が、飲料水からヒ酸塩を除去するための電気化学的方法を提供し、ここでヒ酸塩は、「その場」での陽極酸化によって形成される金属水酸化物への吸着によって除去される。この出願は、軟鋼板またはアルミニウム板からなるアノードと、ステンレス鋼のカソードとを、０．５〜１．５ｃｍの電極間距離にて備える電気化学セルを記載している。
【００２７】
欧州特許出願公開第０５９５１７８号明細書が、廃水の電解処理のための装置およびプロセスを記載している。浄化および処理されるべき水は、最初に不溶性のアノードを収容した少なくとも１つのアノード室を通って流れ、次いで可溶な透過性のアノードを収容した別のアノード室を通って流れる。電気凝固プロセスを開始させるために、水が可溶アノード室に進入する前に、コークス粒子が添加される。多孔質の犠牲アノードを、鉄粉で製作することが可能である。
【００２８】
米国特許第４，０１４，７６６号明細書が、不溶性の中心電極と、この中心電極の周囲に配置され、この中心電極に電気的に接触した微粒子鉄片からなる本体とを備えるアノードを有する電解槽において廃水の電気分解を行うことで、廃水中の不純物を鉄片の電解溶解によって形成された水酸化鉄の凝集剤の内部に掩蔽し、不純物を含む凝集剤を酸化処理した後に分離するプロセスを開示している。このようにして処理された廃水に磁場を印加することで、凝集剤の沈降を促進することができる。六価クロムイオンの三価クロムイオンへの還元を、鉄板が使用される場合の酸性の条件を用いることなく、中性またはアルカリ性の条件下で効率的に行うことができる。
【００２９】
米国特許出願公開第２００６／００００７８４号明細書が、少なくとも２工程のプロセスで汚染物質を除去するために水または廃水を処理する方法であって、
（ａ）水を処理し、少なくとも部分的に処理された中間水を生成することと、
（ｂ）中間水を犠牲金属で処理し、この犠牲金属のイオンを生成し、きわめて徹底的に処理された水をもたらすことと、
（ｃ）工程（ｂ）において生じた犠牲金属イオンを回収し、回収したイオンを工程（ａ）においてリサイクルすることと
を含んでおり、
工程（ｃ）からの回収およびリサイクルされたイオンが、回収されたイオンを用いて中間水から汚染物質をさらに除去することによってより清浄な中間水をもたらすことで、工程（ａ）の処理効率を改善し、したがって工程（ｂ）における汚染物質の量が少なくなり、中間水がより徹底的にさらに処理され、工程（ｂ）における犠牲金属の必要が少なくなる方法を記載している。工程（ａ）は、好ましくは、生物、生物−非生物、物理化学、またはこれらの工程の組み合わせであってよい。
【００３０】
重金属、有機化合物、溶解物質、懸濁物質、固体粒子、栄養素、アンモニア、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、微生物、などのさまざまな汚染物質が除去されると考えられている。
【００３１】
国際公開第２０１３／０５９９６４号パンフレットは、電極基材と、磁性電極粒子と、磁場源とを含む自己集合式の大表面積の電極を記載している。磁場源の影響下で、磁性粒子が電極基材の表面に集まる。電極を、汚染された供給水を処理するための電気凝固システムにおけるアノードおよび／またはカソードとして使用することができる。さらに、この文献は、磁性電極粒子に適した材料は鉄粒子であると述べている。
【００３２】
欧州特許出願公開第００１５０５７号明細書が、水電解槽のための電極であって、焼結粒子で全体が構成された電極よりも安価であり、焼結材料で全体が構成された電極と比べてガスの放出における過電圧が同等またはより小さい電極を提供する実施形態を記載している。この文献による電極は、不浸透性の導電性基材を有し、この基材に、４５〜６５％の理論密度へと焼結された２〜３０μｍの直径を有するニッケル、ニッケル−鉄合金、鉄、または鉄−炭素合金粒子で作られた厚さ２５〜２７５μｍの多孔質の冶金学的に結合した層が結合している。
【００３３】
国際公開第２０１４／１８４１０６号パンフレットが、犠牲電極を含む電気凝固用の電気化学セルを開示している。犠牲電極は、非犠牲部分と、鉄粉を含む多孔質犠牲部分とを含んでいる。
【００３４】
ソビエト連邦特許出願公開第９８１２４１号明細書が、電気凝固装置における汚水の浄化に関する。この発明の目的は、三価の鉄塩の形態の凝固剤の放出を増加させることによって、生産性を向上させることである。不溶性部分と鉄粉を含む可溶性部分とからなる電極が開示されている。
【００３５】
ソビエト連邦特許出願公開第１２５５５８０号明細書が、クロムを含有する汚水の電気化学的な浄化方法を記載している。この記載は、比エネルギー消費の削減を可能にする。
【００３６】
電気凝固は、長年にわたって使用されてきており、水および廃水から種々の汚染物質を除去するための効率的な方法であることが証明されている。しかしながら、とりわけエネルギー効率を考慮して、プロセスを改善することが依然として必要とされている。本発明の実施形態は、より高いエネルギー効率、ならびにコンパクトかつ空間をあまり必要としないプロセス設備を可能にし、すなわち設置面積の削減を可能にする大幅に短縮された水理学的滞留時間に関して、電気凝固プロセスの改善を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００５５８７１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１６７２８５号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０５９５１７８号明細書
【特許文献４】米国特許第４，０１４，７６６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／００００７８４号明細書
【特許文献６】国際公開第２０１３／０５９９６４号パンフレット
【特許文献７】欧州特許出願公開第００１５０５７号明細書
【特許文献８】国際公開第２０１４／１８４１０６号パンフレット
【特許文献９】ソビエト連邦特許出願公開第９８１２４１号明細書
【特許文献１０】ソビエト連邦特許出願公開第１２５５５８０号明細書
【発明の概要】
【００３８】
本発明の実施形態は、汚染水、廃水、または産業廃棄物などのプロセス流を処理するように構成された電気凝固のための装置を含む。装置は、犠牲アノードおよびカソードを含むことができる。さらに、本発明の実施形態は、汚染水、廃水、または産業廃棄物などのプロセス流中の汚染物質の量を減らすためのプロセスを含む。
【００３９】
一実施形態において、プロセス流は加圧され、透過性アノードに通される。一実施形態において、加えられる圧力は、アノードの細孔および空洞の少なくとも９５体積％、好ましくは少なくとも９９体積％、好ましくは９９．９体積％、あるいは全てを満たすとともに、Ｋｓａｔ値によって定義されるとおりのシステムを通るプロセス流の充分な流量をもたらすために、充分であるべきである。
【００４０】
本発明の態様は、プロセス流を処理するように構成された電気凝固装置であって、
・カソードと、
・鉄を含む圧縮された粉末で構成され、１１体積％〜６２体積％の間、好ましくは２２体積％〜５１体積％の間、より好ましくは３０〜４２体積％の間の多孔度を有しており、多孔質かつ水透過性である犠牲アノードと、
・前記プロセス流を前記アノードを通って流すように構成された圧力システムと
を備えており、
前記アノードは、第１の側と、反対側の第２の側とを有し、前記プロセス流は、前記第１の側から前記アノードを通って前記第２の側へと流れ、
前記第２の側における前記プロセス流の圧力は、圧力差が少なくとも６．９ｋＰａ（１ｐｓｉ）、好ましくは少なくとも１７．９ｋＰａ（２．６ｐｓｉ）であるように、前記第１の側における圧力よりも低い、装置に関する。
【００４１】
いくつかの実施形態において、圧力システムは、プロセス流の少なくとも５０％、好ましくは８０重量％、より好ましくは９５重量％、最も好ましくは少なくとも９９．５重量％が前記アノードを通って流れるように構成される。
【００４２】
いくつかの実施形態において、前記第１の側におけるプロセス流の圧力は、少なくとも１３．８ｋＰａ（２ｐｓｉ）である。
【００４３】
いくつかの実施形態において、前記アノードは、圧縮されて焼結させられた粉末からなる。
【００４４】
いくつかの実施形態において、圧縮された粉末は、少なくとも９０重量％の鉄、好ましくは少なくとも９５重量％の鉄、最も好ましくは少なくとも９７重量％の鉄を含む。
【００４５】
いくつかの実施形態において、圧縮された粉末は、４５μｍ未満の粒子の量が最大で１０重量％であり、４５〜１５０μｍの間の粒子の量が０〜２０重量％であり、１５０〜２１２μｍの間の粒子の量が１０〜５０重量％であり、２１２〜５００μｍの間の粒子の量が５０〜９０重量％であり、５００μｍを超える粒子の量が０〜３０重量％であるような粒径分布を有する。いくつかの実施形態において、前記鉄粉は、４５μｍ未満の粒子の量が最大で５重量％であり、４５〜１５０μｍの間の粒子の量が０〜２０重量％であり、１５０〜２１２μｍの間の粒子の量が１０〜３０重量％であり、２１２〜５００μｍの間の粒子の量が６０〜９０重量％であり、５００μｍを超える粒子の量が０〜１０重量％であるような粒径分布を有する。
【００４６】
いくつかの実施形態において、前記アノードは、圧縮された鉄粉とアルミニウム粉末との混合物を含む。いくつかの実施形態において、鉄粉とアルミニウム粉末との間の重量比は、５０：５０〜９８：２、好ましくは６０：４０〜９８：２、最も好ましくは７０：３０〜９５：５である。
【００４７】
別の態様によれば、電気凝固によってプロセス流を処理するためのプロセスであって、
・上記および以下において開示されるとおりの電気凝固装置を用意するステップと、
・前記アノードと前記カソードとの間に電位差を供給しつつ、前記アノードを通過する前にプロセス流を加圧することによって、プロセス流を前記装置に通すステップと
を含む、プロセスが、本明細書において開示される。
【００４８】
いくつかの実施形態によれば、前記アノードおよびカソードが構造において同一である場合に、本プロセスは、
・前記アノードの犠牲部分が少なくとも部分的に消費されたときに極性を切り替えるステップ
をさらに含む。
【００４９】
いくつかの実施形態によれば、プロセス流は、前記アノードを通過する前に大気圧よりも上に加圧される。
【００５０】
いくつかの実施形態によれば、前記アノードは、０よりも大きく最大で１９ｃｍ／日まで、好ましくは４〜１７．５ｃｍ／日の間、より好ましくは４．３〜１６．４ｃｍ／日の間、最も好ましくは７．６〜１３ｃｍ／日の間のＫｓａｔ値を有する。Ｋｓａｔは、飽和透水係数を表し、これは、流体が飽和した細孔構造内の細孔を通って移動することができる容易さを表す。
【００５１】
いくつかの実施形態によれば、本プロセスは、プロセス流を装置に通すステップの前および／または最中に、ｐＨを形成された水酸化物凝集剤の溶解を妨げる値、好ましくは５〜８の間の値へと調整するステップをさらに含む。
【００５２】
いくつかの実施形態によれば、プロセス流は、クロムまたはヒ素などの重金属を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態によれば、プロセス流は、フッ化物を含む。
【００５４】
別の態様によれば、上記および以下で開示されるとおりの電気凝固装置が、汚染水または廃水を処理するように構成され、カソードおよびアノードは、加圧配管系に収容され、電気凝固装置は、
・電極に電気を供給するためのシステムと、
・フロックを取り扱うためのシステムと
をさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による電気凝固プロセスの一実施形態を示している。この実施形態においては、犠牲電極およびカソードが、同じ組成を有し、同じ形状を有する。
【図２】複数の犠牲アノードと、犠牲アノードとは組成および形状が異なる単一のカソードとを有する本発明の別の実施形態を示している。
【図３】犠牲アノードおよびカソードが９０度動かされており、すなわち垂直配置であることを除いて、図２に示した実施形態と同様の本発明によるさらなる実施形態を示している。
【図４】発生した凝集剤の単位質量当たりの除去されたＣｒ（ＶＩ）の質量を示す図である。従来からの電気凝固プロセスを透過性電極によるプロセスと比較している。
【図５】実施例２による本発明の一実施形態によるプロセスにおいて透過性電極によって発生した凝集剤の沈降速度を示す図である。
【図６】実施例２の従来からのプロセスにおいて電極によって発生した凝集剤の沈降速度を示す図である。
【図７】同じ圧縮力（２７．６ＭＰａ（２ＴＳＩ））で同じ多孔度（６１％）へとプレスされた透過性アノードについて、０．３３、０．４１、および０．５０という、異なる厚さにおける除去効率の比較を示す図であり、アノードは、本発明による電気凝固プロセスの一実施形態において使用され得る。
【図８】同じ圧縮力（４１．４ＭＰａ（３ＴＳＩ））で同じ多孔度（５７％）へとプレスされた透過性アノードについて、０．３０、０．３７、および０．５６という、異なる厚さにおける除去効率の比較を示す図であり、アノードは、本発明による電気凝固プロセスの一実施形態において使用され得る。
【図９】同じ圧縮力（５５．２ＭＰａ（４ＴＳＩ））で同じ多孔度（５３％）へとプレスされた透過性アノードについて、０．２７、０．３４、および０．４１という、異なる厚さにおける除去効率の比較を示す図であり、アノードは、本発明による電気凝固プロセスの一実施形態において使用され得る。
【図１０】同じ質量（２０ｇ）ならびに６１％、５７％、および５３％という異なる多孔度を有する透過性アノードについて、除去効率の比較を示す図であり、アノードは、本発明による電気凝固プロセスの一実施形態において使用され得る。
【図１１】同じ質量（２５ｇ）ならびに６１％、５７％、および５３％という異なる多孔度を有する透過性アノードについて、除去効率の比較を示す図であり、アノードは、本発明による電気凝固プロセスの一実施形態において使用され得る。
【図１２】同じ質量（３０ｇ）ならびに６１％、５７％、および５３％という異なる多孔度を有する透過性アノードについて、除去効率の比較を示す図であり、アノードは、本発明による電気凝固プロセスの一実施形態において使用され得る。
【図１３】除去効率に対するＫｓａｔ値を示す図である。
【図１４】種々の流量に対するＫｓａｔ値を示す図である。
【図１５】種々のアノード多孔度に対するＫｓａｔ値を示す図である。
【図１６】種々のアノード多孔度および流量に対するＫｓａｔ値を示す図である。
【図１７】種々の多孔度の透過性アノードを通る流束のプロットを示す図である。
【図１８Ａ】図１７に示した流束のプロット上に転置されたＫｓａｔ対多孔度の線形関係を示す図であり、ゾーンＤのＫｓａｔ値が示されている。
【図１８Ｂ】図１７に示した流束のプロット上に転置されたＫｓａｔ対多孔度の線形関係を示す図であり、ゾーンＣ〜ＥのＫｓａｔ値が示されている。
【図１９】従来からの電気凝固プロセスの原理図を示している。
【図２０】種々の多孔度を有する透過性アノードについての除去率のプロットを示している。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１が、処理されるべきプロセス流３を示している。プロセス流３は、プロセスポンプ４によって加圧され、管１を流れる。プロセス流３は、アノードホルダＢによって固定された多孔質犠牲アノードＡを通って流れる。アノードホルダＢは、プロセス流３の全部または本質的に全部（例えば、少なくとも５０％、好ましくは８０重量％、より好ましくは９５重量％、最も好ましくは少なくとも９９．５重量％）がアノードＡを通って流れるように管１を封じる。
【００５７】
「通って流れる」は、プロセス流３がアノードＡの一方側１からアノードＡの他方側２へと流れることを意味する。「通って流れる」は、プロセス流がアノードの表面を横切って／表面に沿って流れる流路とは区別される。
【００５８】
プロセス流３は、アノードＡの一方側１において、大気圧よりも高い圧力Ｐ１にある。アノードを横切る差圧は、好ましくは少なくとも６．９ｋＰａ（１ｐｓｉ）であり、より好ましくは少なくとも１７．９ｋＰａ（２．６ｐｓｉ）である。アノードＡを通って他方側２へと流れた後に、プロセス流３は、好ましくは大気圧よりも高く、好ましくは少なくとも１０３ｋＰａ（１５ｐｓｉ）であり、より好ましくは１３８ｋＰａ（２０ｐｓｉ）である圧力Ｐ２にある。圧力Ｐ１は、圧力Ｐ２よりも大きい。
【００５９】
アノードＡは、直流源Ｃの正極に接続される。カソードＤは、直流源Ｃの負極に接続される。
【００６０】
一実施形態において、電極は切り替え可能であり、アノードＡがカソードになり、カソードＤが犠牲アノードになる。カソードＤは、この実施形態においては、アノードと同じ形状および組成を有し、適切な時点における電極の効果的な切り替えを可能にする。他の実施形態において、電極ＡおよびＤは、組成が同じであるが構造が違ってよく、組成が異なるが構造が同じであってよく、あるいは異なる組成および異なる構造であってよい。
【００６１】
カソードＤは、カソードホルダＥによって固定されている。電極の切り替え後に、カソードホルダＥは、プロセス流３の全部または本質的に全部（例えば、少なくとも５０％、好ましくは８０重量％、より好ましくは９５重量％、最も好ましくは少なくとも９９．５重量％）がカソードＤ（今や犠牲アノードである）を通って流れるように管１を封じる。処理されるべきプロセス流３は、開状態の弁Ｆ１を通って流れ、弁Ｆ２は閉じられている。電極が切り替えられると、プロセス流３は、開かれた弁Ｆ２を通って流れ、弁Ｆ１は閉じられる。
【００６２】
犠牲アノードを通過した後に、プロセス流３は、弁Ｇ、すなわちガス放出ステーションを通り、スラッジ処理ユニット（図示せず）へとさらに流れ、スラッジ処理ユニットにおいて、汚染物質を含むスラッジが清浄化された水から分離される。
【００６３】
一実施形態においては、ホルダＢ、Ｅを、ゴムまたはポリマーなどの任意の水を通さない材料で製作することができる。
【００６４】
一実施形態においては、電極Ａ、Ｄを、管１にきつくはまり、あるいは管１の当接面に密着するように構成することができる。これにより、管１を封じるための別個のホルダを使用しない構成を、可能にすることができる。電極Ａ、Ｄがシールを備えずに使用される場合、電極Ａ、Ｄおよび管１の構成は、プロセス圧力の下でプロセス流３の全部または本質的に全部（例えば、少なくとも５０％、好ましくは８０重量％、より好ましくは９５重量％、最も好ましくは少なくとも９９．５重量％）が電極Ａ、Ｄを通って流れるように構成されるべきである。
【００６５】
好ましいＩ／Ｑレベルは、３８０Ａ／ｍ３／ｈｒ未満であり、好ましくは３５０Ａ／ｍ３／ｈｒ未満であり、より好ましくは３４０Ａ／ｍ３／ｈｒ未満であり、より好ましくは３３０Ａ／ｍ３／ｈｒ未満であり、ここで、Ｉは印加電流であり、Ｑは流量である。
【００６６】
一実施形態において、装置は、プロセス流の連続流の電気凝固を可能にする。
【００６７】
図２は、設備の他の実施形態を示している。この実施形態において、設備は、複数の犠牲アノードＡおよび単一のカソードＤを含む。この実施形態において、カソードＤは、アノードＡと比較して異なる組成および／または形状であってよい。プロセス流３は、各々のアノードＡを通って流れる。各々のアノードＡは、プロセス流３の全部または本質的に全部（例えば、少なくとも５０％、好ましくは８０重量％、より好ましくは９５重量％、最も好ましくは少なくとも９９．５重量％）がアノードＡを通って流れるように管を封じることができるアノードホルダＡによって固定される。好ましくは、各々のアノードＡは、本質的に同じである。しかしながら、一実施形態において、アノードＡは、異なる組成および／または形状のアノードを含んでもよい。
【００６８】
この実施形態において、電極および電流は、逆にされるようには構成されていない。
【００６９】
さらに、図２は、アノードＡを通過するプロセス流３の一部が、犠牲アノードＡにさらに通されるように、犠牲アノードを通過すべく再循環させられる再循環ループを示している。
【００７０】
この実施形態において、単一のアノードＡを使用することができる。単一のアノードＡのみが使用されるとき、再循環ループが使用されることが好ましい。
【００７１】
この実施形態において、複数のカソードＡを使用してもよい。
【００７２】
図３が、電極が９０度回転させられていることを除いて図２に示した設備と同様の設備、すなわち縦型の設備を示している。
【００７３】
いくつかの実施形態においては、犠牲アノードが、電流源の正極に接続される。カチオンが、アノードから溶液へと放出され、負のカソードへと運ばれ、カソードにおいて加水分解が生じ、水酸化物イオンおよび水素ガスが発生し、電子がアノードから外部回路を通ってカソードへと移動し、水の電気分解およびカチオンの還元を引き起こす。金属イオン汚染物質の還元の例は、加水分解と競合するＣｒ６＋イオンのＣｒ３＋イオンへの還元である。同様に、ヒ素はＡｓ５＋からＡｓ３＋へと還元され、セレンはＳｅ６＋からＳｅ４＋へと還元され、ウランはＵ６＋からＵ４＋へと還元される。
【００７４】
鉄粉
犠牲アノードに使用される適切な鉄粉は、水アトマイズ鉄粉などのアトマイズ鉄粉、ならびにＣＯ還元またはＨ２還元などの化学還元鉄粉であってよい。
【００７５】
鉄粉のＦｅ含有量は、好ましくは９０重量％超であってよい。鉄粉の粒径を、好ましくは、犠牲アノードの多孔質構造が得られるように選択することができる。粒径が細かすぎる粉末が、液体を通しにくい傾向にあるため、あまり適切でない一方で、粗すぎる粒子は、体積に対する表面の比が小さくなり、処理されるべき水への陽イオンの放出が妨げられる。
【００７６】
さらに、粗い鉄粉は、充分な強度および多孔度を有する物体への圧密が困難になり得る。適切な粉末は、１０μｍ〜１ｍｍの間の粒径分布を有することができ、ＩＳＯ  ３９２３−１：２００８に従って測定したときに０．８〜３．０ｇ／ｃｍ３の間の見かけ密度を有することができる。比表面積は、ＢＥＴに従って測定したときに０．１〜０．５ｍ２／ｇの間であってよい。
【００７７】
使用される好ましい鉄粉は、少なくとも９０重量％、好ましくは少なくとも９５重量％、最も好ましくは少なくとも９７重量％のＦｅ含有量を有することができる。鉄粉中の残りの元素は、最大３重量％、好ましくは最大２．５重量％の含有量の酸素、および他の不可避の不純物である。
【００７８】
酸素および他の不可避の不純物の量は、鉄粉の製造に使用される原材料および製造方法に依存する。酸素以外の不可避の不純物の例は、２重量％未満、好ましくは１重量％未満、最も好ましくは０．５重量％未満の総含有量のＣ、Ｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌである。
【００７９】
好ましい実施形態において、４５μｍ未満の粒子の量は、最大で１０重量％である。４５〜１５０μｍの間の粒子の量は、０〜２０重量％である。１５０〜２１２μｍの間の粒子の量は、１０〜５０重量％である。２１２〜５００μｍの間の粒子の量は、５０〜９０重量％である。５００を超える粒子の量は、０〜３０重量％である。
【００８０】
別の好ましい実施形態において、４５μｍ未満の粒子の量は、最大で５重量％である。４５〜１５０μｍの間の粒子の量は、０〜２０重量％である。１５０〜２１２μｍの間の粒子の量は、１０〜３０重量％である。２１２〜５００μｍの間の粒子の量は、６０〜９０重量％である。５００μｍを超える粒子の量は、０〜１０重量％である。
【００８１】
好ましい実施形態において、鉄粉は、Ｈ２還元鉄粉である。
【００８２】
見かけ密度は、０．８〜３．０ｇ／ｃｍ３の間、好ましくは０．８〜２．５ｇ／ｃｍ３の間、最も好ましくは１．２〜１．８ｇ／ｃｍ３の間であってよい。比表面積は、ＢＥＴに従って測定して、０．１〜０．５ｍ２／ｇの間であってよい。
【００８３】
アルミニウム粉末
Ａｌ粉末が電極の犠牲部分に含まれる実施形態において、Ａｌ粉末中のＡｌの含有量は、好ましくは９０〜９９重量％の間であってよく、４．５〜８７５μｍの間の粒径分布であってよい。
【００８４】
鉄粉とアルミニウム粉末との混合物
犠牲アノードにおける鉄とアルミニウムとの組み合わせが、効果的なフッ化物除去と形成された凝固剤の充分な沈降速度との複合効果をもたらすことが示されている。
【００８５】
両方の粉末を含有する実施形態における鉄粉とアルミニウム粉末との間の重量比は、処理後の水に容認できないほど多くのアルミニウムイオンが残存することがなく、かつ沈降時間が長くならないように、少なくとも５０：５０、好ましくは少なくとも６０：４０、最も好ましくは少なくとも７０：３０であってよい。他方で、両方の粉末を含有する実施形態における鉄粉とアルミニウム粉末との間の最大の重量比は、充分なフッ化物除去能力を達成するために、９８：２であってよく、好ましくは９５：５であってよい。したがって、鉄粉とアルミニウム粉末との間の重量比は、５０：５０〜９８：２、好ましくは６０：４０〜９８：２、最も好ましくは７０：３０〜９５：５であってよい。これを、電極の犠牲部分におけるアルミニウム粉末の含有量が、２〜５０重量％、好ましくは２〜４０重量％、最も好ましくは５〜３０重量％であってよいと表現することもできる。さらに、例えば、１０〜３０重量％または１５〜２５重量％のアルミニウム粉末。
【００８６】
透過性多孔質アノードの製造
鉄粉または鉄粉とアルミニウム粉末との混合物が、圧縮ダイへと移され、圧縮される。好ましくは、アノードは、少なくとも１０ＭＰａ、好ましくは少なくとも２０ＭＰａ、より好ましくは少なくとも２５ＭＰａの力で圧縮される。いくつかの実施形態において、鉄粉または鉄粉とアルミニウム粉末との混合物は、充分な多孔度ならびに完全性および強度を得るために、２７．６ＭＰａ（２ＴＳＩ）〜９８６ＭＰａ（７１．５ＴＳＩ）の間の圧力で圧縮される。これは、透過性（液体および気体）アノードが、１１〜６２％、好ましくは２２〜５１％、最も好ましくは３０〜４２％の多孔度を有するべきであることを意味する。
【００８７】
圧縮および圧縮後のアノードの取り出しを容易にするために、従来からの潤滑剤を、圧縮の前に添加することができる。アノードの完全性および強度をさらに向上させるために、焼結工程を実行することができる。しかしながら、潤滑剤を燃焼除去するための２００〜４００℃の間の温度でのアノードの熱処理が、より重要であり得る。
【００８８】
圧縮され、あるいは随意により焼結されたアノードの形状は、配管系ならびに非導電性不透過性シール（存在する場合）に適合するように選択される。そのような非導電性不透過性シールは、従来からの非導電性ガスケットであってよい。
【００８９】
電気凝固プロセス
本発明の実施形態による電気凝固プロセスは、上述した装置を利用する。浄化されるべきプロセス流が、透過性多孔質犠牲アノードを通って流される。通常はＤＣが印加されるが、とくにはアノードおよびカソードが実質的に同一の構造である場合に、ＡＣを使用することができる。ＡＣの使用は、汚損の問題の軽減および電気機器の簡素化を可能にする。
【００９０】
加えられる圧力は、アノードの細孔および空洞の少なくとも９５％、好ましくは９９％、好ましくは９９．９％、好ましくは全てを満たし、系を通って充分な流量をもたらすために充分であってよい。
【００９１】
既知の電気凝固プロセスと比べ、本発明の実施形態によるプロセスに関して、同じ除去効率において、水理学的滞留時間の大幅な短縮を達成することができる。
【００９２】
ここで、水理学的滞留時間は、透過性多孔質犠牲アノードの体積を系における流量で割り算したものとして定義される。
ＨＲＴ＝アノードの体積［ｍ３］／流量［ｍ３／時］
【００９３】
本発明の実施形態における典型的なＨＲＴは、６秒から２分の範囲であるが、本発明の実施形態による電気凝固プロセスにおいて、汚染物質の除去効率が、飽和透水係数Ｋｓａｔに強く関係していることが示されている。Ｋｓａｔの値は、飽和した細孔構造中の細孔を通る流体の移動の容易さを表す。
【００９４】
したがって、本発明の実施形態によるプロセスを、Ｋｓａｔの好ましい範囲が４〜１７．５ｃｍ／日の間、好ましくは４．３〜１６．４ｃｍ／日の間、最も好ましくは７．６〜１３ｃｍ／日の間となるような条件下で実施することができる。
【００９５】
形成された水酸化物フロックの溶解を防ぐために、精製されるべきプロセス流のｐＨを、プロセスの開始前および／またはプロセスの最中に、好ましくは５〜８の間の値へと調整することができる。ウランがプロセス流から除去される実施形態においては、ｐＨを少なくとも１０という値に調整することができる。ｐＨを、特定の汚染物質の除去を容易にするように調整することができる。
【００９６】
プロセスの前および／または最中に、処理されるべき水の伝導率を高めるために、電解質を添加することができる。
【実施例】
【００９７】
以下の実施例は、本発明の実施形態の例示を意図しており、本発明の技術的範囲の限定を意味しない。
【００９８】
特定の特性を決定するために使用される手順
以下の実施例において収集されるデータは、電流（Ｉ）、電圧（ｖ）、クロム濃度（Ｃｒ）、圧力（Ｐ）、未焼成（ｇｒｅｅｎ）強度（ＧＳ）、および未焼成密度（ＧＤ）からなる。各々のデータセットの値を、以下の手順に従って得た。
【００９９】
電流および電圧は、５Ａ／３０ＶのＤＣ電源の表示画面から得た。電源を、アノードとカソードとの間の抵抗に基づいて電圧が変動する可能性がある所望の試験運転において一定の電流を維持するように設定した。
【０１００】
流入液サンプルを収集し、分析に先立って０．４５ミクロンのシリンジフィルタを通してろ過した。流出液サンプルを収集し、フロックの沈降を可能にすべく放置した。次いで、上清を、０．４５ミクロンのシリンジフィルタを通してろ過した。ろ過した流入液および流出液サンプルを、Ｈａｃｈ  ＤＲ  ５０００分光光度計（メソッド８０２３）を用いてクロム（ＶＩ）濃度について分析した。分光光度計のメソッド検出限界（ＭＤＬ）は、六価クロム［Ｃｒ（ＶＩ）］に関して０．０１ｍｇ／Ｌです。実施例において、ＭＤＬ未満のＣｒ（ＶＩ）濃度は、最大の汚染物質除去に到達したと考えられ、非検出と定義される。
【０１０１】
未焼成強度は、圧縮後かつ未焼結のアノードが耐えることができる力の大きさである。アノードの未焼成強度を、ＩＳＯ規格３９９５に従って試験した。未焼成密度は、圧縮後かつ未焼結のアノードの密度であり、式
ＧＤ＝Ｍｍ／Ｖ
を用いて計算した。
【０１０２】
ここで、Ｍｍはアノードの質量であり、Ｖは円柱の体積の式（Ｖ＝π＊ｒ２＊ｈ）を使用して計算された体積である。
【０１０３】
［実施例１］−処理された単位体積当たりの印加電流
この実施例を、図１に示した装置を使用して実施した。犠牲アノードを、鉄の含有量が約９７％であり、見かけ密度が１．３９ｇ／ｃｍ３であり、比表面積が０．２２ｍ２／ｇである鉄粉から製造した。鉄粉の粒径分布において、４５μｍ未満の粒子の含有量は１重量％であった。４５〜１５０μｍの間の粒子の量は、１０重量％であった。１５０〜２５０μｍの間の粒子の量は、１２重量％であった。２５０〜８５０μｍの間の粒子の量は、７５．６重量％であった。８５０〜１０００μｍの間の粒子の量は、１．４重量％であった。各々の透過性アノードは、２５ｇの重量を有し、各々の透過性アノードを、６２％の多孔度を達成するために２７．６ＭＰａ（２ＴＳＩ（トン／平方インチ）の力でプレスした。好ましくは、アノードは、少なくとも１０ＭＰａ、好ましくは少なくとも２０ＭＰａ、より好ましくは少なくとも２５ＭＰａの力で圧縮される。
【０１０４】
重クロム酸カリウム（Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７）、塩酸（ＨＣｌ）、および塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を、脱イオン水に加えた。初期の水質は、濃度１００ｍｇ／ＬのＣｒ（ＶＩ）、７．０に等しいｐＨ、および２３００μＳ／ｃｍの導電率からなっていた。蠕動ポンプを使用して、この廃水を圧力の下でリアクタへともたらし、連続流プロセスにてアノードに通した。試験を、さまざまな印加電流で実行し、流量を０．０１ｍｇ／Ｌ未満の流出物Ｃｒ（ＶＩ）濃度を達成するように調整した。表１は、この廃水について最大の汚染物質除去を達成するための電流および流量の設定点、ならびに処理された廃水の単位体積当たりに必要とされた電流の量を示している。
【０１０５】
【表１】
2019529090.tif 000003
【０１０６】
表１の結果は、透過性電極が、より大きな流量においてより効率的に機能し、汚染物質のレベルが比較的高い大流量の用途に最も適していると考えられることを示している。
【０１０７】
この実施例における第２の試験を、同じ形式の電極を使用して、しかしながら従来からの電気凝固プロセスにて実行した。電極をバスバーアセンブリから反応容器の中へと吊り下げた。プロセスをバッチ状況にて実行した。従来からの電気凝固プロセスの結果を、表２において透過性アノードによるプロセスの結果と比較する。
【０１０８】
比較例として、本発明の実施形態によるプロセスでの先の実験に使用した水と同じ水の電気凝固を、処理対象の水を透過性アノードに強制的には通さない従来からのプロセスで行った。従来からの電気凝固プロセスのための装置は、１２００ｍｌのガラスビーカ、磁気撹拌器、電極アセンブリホルダ、および電源を備えた。粉末金属電極を、本発明の実施形態によるプロセスで使用した透過性電極と同一の質量および多孔度を達成するようなやり方で製造した。
【０１０９】
【表２】
2019529090.tif 000004
【０１１０】
透過性のリアクタは４６ｍｌ／分の流量において０．９Ａの印加電流で１００ｍｇ／Ｌのクロムという最大の汚染物質除去を達成することができた。同じ表面積の電極を有し、印加電流が同じであり、初期の汚染物質濃度が同じである従来からのリアクタは、３７ｍｌ／分の流量での処理しか可能ではなかった。
【０１１１】
除去効率の向上に加えて、透過性のリアクタは、より少ない電力消費で同じ体積を処理することができた。従来からのリアクタで同じ量（４６ｍｌ／分）の廃水を処理するためには、１．１Ａの印加電流が必要であると考えられる。透過性のリアクタおよび従来からのリアクタは、それぞれ２．８０および３．２４ｋＷ／ｍ３／時の電力消費を必要とした。
【０１１２】
処理された水の単位体積当たりの電力消費（単位は、ｋＷ時）は、
Ｐ＝（Ｉ＊Ｖ）／（１０００＊Ｑ）
と表され、ここで、Ｑは流量（単位は、ｍ３／ｈｒ）であり、Ｉは電流（単位は、Ａ）であり、Ｖは電圧である。
【０１１３】
［実施例２］−発生した凝集剤の単位質量当たりの汚染物質除去量
この実験には、２つの別々の試験装置を使用した。透過性の電気凝固プロセスのための装置は、図１に示した装置を使用して実施した。犠牲アノードを、実施例１において定めた仕様と同じ仕様に従って製造した。従来からの粉末金属による電気凝固プロセスのための装置は、１２００ｍｌのガラスビーカ、磁気撹拌器、電極アセンブリホルダ、および電源を備えた。粉末金属電極を、本発明の実施形態による電極と同一の質量および多孔度を達成するようなやり方で製造した。
【０１１４】
重クロム酸カリウム（Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７）、塩酸（ＨＣｌ）、および塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を、脱イオン水に加えた。初期の水質は、濃度１００ｍｇ／ｌのＣｒ（ＶＩ）、７．０に等しいｐＨ、および２３００μＳ／ｃｍの導電率からなっていた。各々の試験を、準備した同じ量の廃水で実行した。各々の試験について、同じ量の廃水を同じ時間で効果的に処理するように、印加電流を選択した。表３は、発生した凝集剤の単位質量当たりの除去された汚染物質の質量に関係する動作条件および結果を示している。各々の試験を３回行った。表３に報告されている結果は、３回の試験の平均である。
【０１１５】
【表３】
2019529090.tif 000005
【０１１６】
図４が、２つのプロセスにおいて発生した凝集剤（乾燥後）中の除去されたＣｒの濃度を示している。本発明の実施形態に従って発生したフロック中の除去されたＣｒの濃度は、従来からの方法に従って発生したフロック中のＣｒの濃度と比べ、より高い。
【０１１７】
同じ時間での同じ量の水からの同じ量の汚染物質の除去を達成するために、従来からのプロセスは、本発明の実施形態によるプロセス（０．９Ａ）と比べて、より多くの印加電流（１．０Ａ）を必要とした。本発明の実施形態によるプロセスにおいては、必要とされる電流がより少ないために、六価クロムの最大除去において生じた凝集剤がより少なかった。結果として、本発明の実施形態による透過性の電気凝固プロセスにおける凝集剤の単位質量当たりの除去した汚染物質の量（凝集剤１ｇにつき８７．１ｍｇのＣｒ（ＶＩ））は、従来からの電気凝固プロセス（凝集剤１ｇにつき７９．４ｍｇＣｒ（ＶＩ））よりも９．７％多くなった。
【０１１８】
透過性の電極および従来からの電極からのフロックの沈降速度を、室温において目盛り付き沈降カラムで時間につれての圧縮された体積を分析することによって評価した。特定の時点において、沈降したフロックの高さ、すなわちフロックと水との界面を読み取った。
【０１１９】
タイプＩＩＩの干渉ゾーン沈降速度プロットを用いて計算すると、本発明の一実施形態によるプロセスが０．９１７ｍ／ｈの沈降速度を生じさせる一方で、従来からのプロセスは０．３８５ｍ／ｈの沈降速度を生じさせる。本発明の実施形態によるプロセスによって生じたフロックは、従来からのやり方において生じたフロックよりも２．４倍も速く沈降する。
【０１２０】
［実施例３］−Ｋｓａｔ値の関数としての汚染物質除去速度
この実施例を、図１に示した装置を使用して実施した。犠牲アノードを、実施例１において定めた鉄粉と同じ特性を有する鉄粉から製造した。表４が、この実施例のために製造されたアノードの特性を示している。
【０１２１】
【表４】
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【０１２２】
プロセスの説明：重クロム酸カリウム（Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７）、塩酸（ＨＣｌ）、および塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を、脱イオン水に加えた。初期の水質は、濃度１００ｍｇ／ＬのＣｒ（ＶＩ）、７．０に等しいｐＨ、および２３００μＳ／ｃｍの導電率からなっていた。全ての試験を０．２Ａの印加電流で実行した。透過性アノードを通る４．５、９、２３．５、４６、および９２ｍｌ／分の流量を適用した。流出液を集め、適用した流量の条件における六価クロムの除去率を測定した。図７〜図９の除去効率曲線は、同じ圧縮力でプレスされた異なる電極厚さの透過性アノードのクロムの除去を示している。図７は、２７．６ＭＰａ（２ＴＳＩ）でプレスされたアノード（６１％の多孔度）について収集されたデータを示し、図８は、４１．４ＭＰａ（３ＴＳＩ）でプレスされたアノード（５７％の多孔度）について収集されたデータを示し、図９は、５５．２ＭＰａ（４ＴＳＩ）でプレスされたアノード（５３％の多孔度）について収集されたデータを示している。
【０１２３】
興味深いことに、３つ全ての図において報告された結果は、一定の多孔度を保つ一定の圧縮力において、透過性アノードが薄い方が除去効率が高いことを示している。
【０１２４】
これらの実施例における除去効率は、時間につれての除去率として定義される。
除去効率＝（Ｃ０−ＣＦ）／Ｃ０＊１００／Ｔ
ここで、Ｃ０は初期濃度であり、ＣＦは得られた濃度であり、Ｔは時間である。
【０１２５】
図１０〜図１２は、質量が同じであるが、各々の電極に異なる多孔度を与える種々の圧縮力でプレスされた透過性アノードについて、クロムの除去を示している。図１０は、２０ｇの質量を有するプレスされたアノードについて収集されたデータを示し、図１１は、２５ｇの質量を有するプレスされたアノードについて収集されたデータを示し、図１２は、３０ｇの質量を有するプレスされたアノードについて収集されたデータを示している。
【０１２６】
驚くべきことに、３つの全ての図（図１０〜図１２）において報告された結果は、一定のアノード質量における除去効率が、多孔度に反比例することを示している。この実験を行う前は、アノードの多孔度が高いほど、内部表面積が大きくなるがゆえに、性能が向上すると仮説が立てられていた。
【０１２７】
より薄い透過性アノードおよび多孔度のより低い透過性アノードの両方において汚染物質の除去が向上するという驚くべき結果に鑑み、その理由の調査にさらに注力した。一定の印加電流において流束が除去効率に直接的な影響を有するのではないかという１つの説を導き出すことができる。この実施例において、透過性電極の飽和透水係数（Ｋｓａｔ）を使用して流束を定義した。
【０１２８】
Ｋｓａｔ値は、ダルシーの法則における比例係数として表される。
Ｑ＝Ｋ＊Ａ＊（ΔＨ／ΔＬ）
ここで、Ｑは流量であり、Ａはアノードの断面積であり、ΔＨは水頭であり、ΔＬはアノードの厚さである。
【０１２９】
図１３が、Ｃｒ（ＶＩ）の除去を透過性アノードのＫｓａｔ値に対して示している。ここに示されているデータは、表４およびプロセスの説明において定めたデータセット行列一式である。
【０１３０】
図１３に示されている結果は、Ｋｓａｔ値が透過性電極の除去効率に対して直接的な相関を有することを立証している。アノードに印加される電流が一定であるとき、Ｋｓａｔ値が増加するにつれて、除去効率は低下する。流量がＫｓａｔに大きく影響するがゆえ、図１３は、図１４に示される一定流量における傾向に分割される。
【０１３１】
図１４は、除去効率が一定の流量でもＫｓａｔに反比例することを立証している。
【０１３２】
図１５が、種々のアノード多孔度においてＫｓａｔ値が除去効率に対して有する傾向を示している。予想されたように、所与のＫｓａｔ値において、アノードの多孔度が高いほどより高い除去効率が達成される。これは、流量対Ｋｓａｔを図１５と同じデータ上に取り入れた図１６においてさらに説明される。
【０１３３】
Ｋ＝（Ｑ／Ａ）＊（ΔＬ／ΔＨ）としてのダルシーの法則に鑑み、一定のＫｓａｔ値において、同じ断面積を有する２つのアノード（アノード１およびアノード２）の比較が、
Ｑ１×ΔＬ１／ΔＨ１＝Ｑ２×ΔＬ２／ΔＨ２
をもたらす。
【０１３４】
アノード１の多孔度がアノード２の多孔度よりも低い場合、ΔＬ１＜ΔＬ２かつΔＨ１＞ΔＨ２である。したがって、アノード１は、同じＫｓａｔ値を維持するためにより大きな流量を必要とする。したがって、リアクタにおける接触時間が減少する（すなわち、水理学的滞留時間が減少する）ため、除去効率が低下する。
【０１３５】
この実施例を拡張して、実施例３の初期の部分で使用した鉄粉と同じ特性を有する鉄粉から犠牲アノードを製造した。アノードを、同じ質量および表面積ならびにわずかに異なる厚さで構成した。表５において見ることが種々の圧縮力を使用して、１２．６％〜６２．１％の範囲のさまざまな多孔度のアノードを製造した。
【０１３６】
この実施例において、全てのアノードの試験について一定のプロセスパラメータを維持した。具体的には、流量を４６ｍｌ／分に設定し、印加電流を０．２Ａとした。結果を図２０に報告する。比較のために、図２０においてフィットさせた傾向線は、図１１において報告された結果から計算された３つのデータ点を含む。図１１の実験データは、ここで使用されたものと同じ質量のアノードを使用して生成され、０．２Ａの印加電流を使用して試験されている。計算を、流量の違いを補正するために実行した。追加の３つのデータ点は、４６ｍｌ／分の流量を用いて生成された。図２０を用いて、表７の除去効率に関するゾーンを定義した。
【０１３７】
［実施例４］−未焼成強度対多孔度
この実施例を、図１に示した装置を使用して実施した。アノードを、鉄の含有量が約９７％である鉄粉から製造した。アノードをさまざまな多孔度で製造し、それらの透過性について試験した。表５が、各々のアノードの特性および３４．５ｋＰａ（５ｐｓｉ）の圧力を系に印加したときの透過性（流量（単位は、ｍｌ／分））を示している。
【０１３８】
【表５】
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【０１３９】
表５に報告されたデータから、１０％以下の多孔度を有するアノードは、水の流れの通過を許さず、非透過性と考えられる。多孔度が増すにつれて、アノードの未焼成強度は低下する。１．７２ＭＰａ（２５０ｐｓｉ）未満の未焼成強度では、アノードの完全性は、輸送および取り扱い、設置、保守、または適用されるシステムプロセス条件に耐えることができないと考えられる。したがって、透過性アノードは、１１％以上６２％以下の多孔度を有するべきである。
【０１４０】
［実施例５］−種々の材料で製造されたアノード
別の実施例において、同じ圧縮力における未焼成強度を比較するために、さまざまな鉄材料でアノードを製造した。透過性アノードを製造するために使用される好ましい透過性鉄複合材料を、他の鉄粉から製造されたアノードと比較した（好ましさにおいて劣る鉄粉「鉄Ａ」〜「鉄Ｄ」）。全ての材料を６８９ＭＰａ（５０ＴＳＩ）の圧縮力でプレスした。結果を表６に報告する。
【０１４１】
【表６】
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【０１４２】
本発明の好ましい実施態様において使用される透過性アノードを製造するために使用される鉄粒子は、他の鉄粉から作られたアノードと比べ、わずかに高い多孔度をもたらすだけでなく、大幅に高い未焼成密度を有するアノードを生じる。
【０１４３】
透過性アノードのための最適な多孔度の範囲は、図１７を用いて決定される。この図において、表５からの種々の多孔度を有するアノードについて、流束曲線がプロットされている。流束は、アノードの断面積当たりの流量である。全ての流束値を、アノードを通して３４．５ｋＰａ（５ｐｓｉ）の印加圧力で集めた。最適な動作性能をもたらすアノードの多孔度を決定するために、最初の直線が、流束曲線の最も急な部分（最大ポンプ効率）および最も平坦な部分（最小ポンプ効率）の両方から延ばされる。これらの２本の線が交差する場所で、別の線（接線に垂直）が、流束曲線に接する線（最適接線）に垂直な傾きで描かれる。このプロット（図１７）を使用して、ゾーンＡ〜Ｇが、表７に要約および定義される。
【０１４４】
【表７】
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【０１４５】
表７および図１７における好ましいゾーンおよび最適ゾーンは、除去効率、流束、およびアノードの完全性の組み合わせに基づいて決定されている。
【０１４６】
多孔度は異なるが、質量および面積が同じであるアノードについて、一定のプロセスパラメータで動作させたときの除去効率の比較を、図２０において見つけることができる。この実施例における除去効率に関して最適な多孔度の範囲は、２２％〜４２％の間である。他の全ての動作パラメータを一定に保ちつつ、異なる流量でこの実施例を実行すると、プロットは垂直方向に移動する。しかしながら、最適な除去効率の範囲は、実施例３に報告された発見との一貫性を維持する。
【０１４７】
流束を、流束曲線として図１７に表されているポンプ効率および表７に定義されている最適範囲と相関させることができる。ポンプ効率は、ポンプを駆動するために供給された電力に対するポンプによって流体に与えられた力の比である。効率は、吐出量の関数であり、したがって運転水頭の関数でもある。実施例３の最初の部分において、さまざまな多孔度のアノードに、一定の圧力を維持しながら異なる流量を流した。一定の圧力を維持するとき、アノードの多孔度と流量は正比例する。具体的には、一定の圧力において、すなわちポンプから同じ馬力を必要とするとき、アノードの多孔度が高いほど、吐出量は多くなる。したがって、より高い多孔度のアノードは、プロセスポンプのより高い効率をもたらす。
【０１４８】
種々の実施例において使用したアノードは、焼結されていない。したがって、アノードの完全性は、ここでは未焼成強度によって表される。種々の多孔度のアノードの未焼成強度を、表５において見つけることができ、最適範囲は表７に定義されている。アノードの多孔度は、未焼成強度に反比例する。したがって、アノードの完全性は、多孔度が増すにつれて弱くなる。
【０１４９】
１０％以下の多孔度のアノードは、３４．５ｋＰａ（５ｐｓｉ）の水圧が加えられたときに流れを許さない。これを非透過性ゾーン（ゾーンＡ）と定義する。
【０１５０】
ゾーンＢは、非常に高い未焼成強度を有するが、大きなポンプ出力が必要であるがゆえに全体としてのシステム効率が低いアノードを含む。このゾーンは、透過性しきい値（１０％の多孔度）と、最適接線が最小ポンプ効率線（２１％の多孔度）に交差する場所とによって定義されます。このゾーンにおいては、相互接続の多孔度が低いがゆえに、電極を通るチャネル流（ｃｈａｎｎｅｌｉｚｅｄ  ｆｌｏｗ）が存在する。
【０１５１】
ゾーンＣ（栓流ゾーン）の多孔度は、相互接続の多孔度がアノードを通る栓流を促進し始める場所である。このゾーンの範囲は、ゾーンＢの上限範囲と、接線が流束曲線と出会う多孔度（％）の値とによって決まる。この点は、最適性能ゾーン（ゾーンＤ）の下限でもある。最適性能ゾーンの上限は、最適接線と最大ポンプ効率線との交点によって決まる。このゾーンは、効果的な除去、流束、およびアノードの完全性の組み合わせが最大であり、３０％〜４２％の多孔度の範囲にある。
【０１５２】
ゾーンＥの範囲は４３％〜５１％である。このゾーンの上限は、より多孔質のアノードと比較してアノードを通る抵抗が著しく減少する点であり、最大ポンプ効率線が流束曲線から外れる点によって決定される。
【０１５３】
透過性アノードの多孔度に関して最後に定義される範囲は、５２％〜６２％の範囲（ゾーンＦ）である。このゾーンにおいて、ポンプ性能は最も有利である。しかしながら、アノードの反応性能が低下し、完全性も同様である。高ポンプ効率ゾーンでは、アノードがより早く劣化する可能性がある。多孔度が６２％を超えると、アノードの未焼成強度が低すぎて、輸送、取り扱い、および適用されるシステムのプロセスに耐えることができない。
【０１５４】
透過性アノードは、１１〜６２％、好ましくは２２〜５１％、最も好ましくは３０〜４２％の多孔度を有するべきである。２２〜５１％の範囲において、少なくとも可のポンプ効率および少なくとも可の未焼成強度で、良〜優の除去効率が得られる。３０〜４２％の範囲において、良のポンプ効率および良の未焼成強度で、優れた除去効率が得られる。これらの対応する多孔度の範囲に対する最適Ｋｓａｔ値を、図１８Ａ〜および図１８Ｂにおいて見つけることができる。したがって、本発明の実施形態によるプロセスを、Ｋｓａｔの好ましい範囲が４．３〜１６．４ｃｍ／日の間、最も好ましくは７．６〜１３ｃｍ／日の間となるような条件下で実施することができる。
【０１５５】
Ｋｓａｔ値線が種々の多孔度の流束曲線上に転置される場合、好ましいＫｓａｔ範囲を、図１８Ａに示されるとおりに定義することができ、最適なＫｓａｔ範囲を、図１８Ｂに示されるように定義することができる。表７のゾーンＤ（最適性能ゾーン）から３０〜４２％の多孔度範囲を使用し、この多孔度範囲を有するアノードのＫｓａｔ値は、７．６〜１３ｃｍ／日の間である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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